5G時(shí)代，多端口器件測(cè)試面臨哪些挑戰(zhàn)？

隨著5G來(lái)臨，元器件開始朝更多端口、更集成化、更高復(fù)雜度的方向發(fā)展。

從器件方面來(lái)看，2G/3G時(shí)代，手機(jī)背板基本貼的是單個(gè)元器件，包括濾波器、功放、雙工器。到5G時(shí)代，要求器件的尺寸越來(lái)越小，集成化就成了新趨勢(shì)，比如射頻前端模塊，就是將天線開關(guān)、放大器、雙工器、濾波器等集成在一起。

從天線方面來(lái)看，2G時(shí)代，手機(jī)基本使用單端口天線。到5G時(shí)代，毫米波頻段的引用，使得射頻信號(hào)空間損耗非常大，為了改善這種狀況，開始采用MIMO陣列天線，就會(huì)有很多端口。MIMO（Multiple-InputMultiple-Output），指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線，使信號(hào)通過(guò)發(fā)射端與接收端的多個(gè)天線傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量。

圖：元器件朝更多端口、更集成化方向發(fā)展

同時(shí)，更多端口、更集成化、更高復(fù)雜度的器件，給測(cè)試帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)，在10月17日的是德科技測(cè)試技術(shù)研討會(huì)上，是德科技Application Engineer LiMeng分享了5G時(shí)代多端口器件測(cè)試存在的問(wèn)題及解決方案。

多端口器件測(cè)試面臨諸多挑戰(zhàn)

1.測(cè)試的參數(shù)越來(lái)越多。比如濾波器測(cè)試，過(guò)去只需測(cè)S參數(shù)（也就是散射參數(shù)，是微波傳輸中的一個(gè)重要參數(shù)）?，F(xiàn)在，因?yàn)榧苫厔?shì)，需要測(cè)的可能就是FEMiD，與雙工器集成的前段模塊，除了S參數(shù)之外，還需要測(cè)增益壓縮、三階交調(diào)、噪聲系數(shù)等。

再比如高速互連線測(cè)試，如果是一個(gè)差分線，只需測(cè)插損或阻抗，而現(xiàn)在隨著傳輸速度增高、通道數(shù)增多，除了測(cè)阻抗、插損之外，還需要測(cè)延時(shí)、串?dāng)_（包括近串、遠(yuǎn)串等），可見測(cè)量參數(shù)急劇增加。

2.測(cè)試指標(biāo)要求高。因?yàn)槎喽丝跍y(cè)試量很大，所以需要測(cè)試效率必須很高。如果測(cè)試量急劇增多，而測(cè)試效率卻跟原來(lái)一樣的話，就需要非常長(zhǎng)的時(shí)間才能完成整個(gè)器件的測(cè)試。

3.精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定性好。多端口的器件對(duì)于測(cè)試系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，提出了非常高的要求，如果希望測(cè)試出來(lái)的結(jié)果精度高，穩(wěn)定性好，就需要測(cè)試效率更高的測(cè)試系統(tǒng)。

面對(duì)多端口器件測(cè)試，面前市面上有兩大比較傳統(tǒng)的測(cè)試方案，一是用2端口或者4端口網(wǎng)絡(luò)分析儀多次測(cè)量，二是基于基于網(wǎng)絡(luò)分析儀和開關(guān)矩陣的多端口測(cè)試系統(tǒng)，其中前者使用較少，后者較為常見，這兩大測(cè)試方案各有優(yōu)缺點(diǎn)。

傳統(tǒng)測(cè)試方案缺點(diǎn)顯著

用2端口或者4端口網(wǎng)絡(luò)分析儀多次測(cè)量，此方案的優(yōu)點(diǎn)在于，測(cè)試方法非常簡(jiǎn)單，儀表成本低。缺點(diǎn)很多，一是測(cè)試時(shí)間很長(zhǎng)，Li Meng介紹到，是德科技做過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，讓對(duì)儀表操作非常熟練的工程師，對(duì)14端口的器件進(jìn)行全參數(shù)測(cè)試，需要50分鐘，這對(duì)于產(chǎn)線和研發(fā)來(lái)說(shuō)，耗時(shí)太長(zhǎng)；二是測(cè)試過(guò)程非常復(fù)雜，用2端口網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)N端口器件進(jìn)行測(cè)試，需要將N個(gè)端口器件，兩兩間都要組合測(cè)量，即需要測(cè)量N（N-1）/2次；三是為了避免串?dāng)_，在測(cè)量這兩個(gè)端口參數(shù)的時(shí)候，其他端口還需要連上負(fù)載。

基于網(wǎng)絡(luò)分析儀和開關(guān)矩陣的多端口測(cè)試系統(tǒng)，此方案是用兩端口的網(wǎng)絡(luò)分析儀，測(cè)N端口的器件，在網(wǎng)絡(luò)分析儀和器件之間，搭建一個(gè)開關(guān)矩陣，這樣就可以將網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩個(gè)端口通過(guò)開關(guān)切到N個(gè)端口，測(cè)試的時(shí)候，只需把測(cè)試座N個(gè)端口與被測(cè)物連起來(lái)。

優(yōu)點(diǎn)在于，可一次連接所有端口，無(wú)需改變連接，并且對(duì)動(dòng)態(tài)范圍和精度要求不高的情況，具有較低的成本。缺點(diǎn)也很多，一是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍下降；二是系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性不高；三是測(cè)試速度一般，加了開關(guān)箱之后，測(cè)試一個(gè)14端口器件需要12分鐘，雖然相較于方案一來(lái)說(shuō)，時(shí)間雖然縮短很多，但是對(duì)于研發(fā)和產(chǎn)線來(lái)說(shuō)，還是過(guò)長(zhǎng)。

什么是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍？系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍指的是網(wǎng)絡(luò)分析儀端口最大輸出功率和端口噪底的差，系統(tǒng)指標(biāo)通常在10HzIFBW（中頻帶寬）下定義，IFBW每提高10倍，動(dòng)態(tài)范圍減少10dB。比如，若端口最大輸出5dBm，燥底為-115dBm，則系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍為120dB（1FBW=10Hz），當(dāng)1FBW=1kHz時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍為100dB。

加開關(guān)箱之后，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍會(huì)受影響。一、開關(guān)矩陣內(nèi)部插損會(huì)降低動(dòng)態(tài)范圍，因?yàn)殚_關(guān)箱有插損，比如一個(gè)網(wǎng)絡(luò)分析儀，原本可以輸出10dBm的信號(hào)，經(jīng)過(guò)開關(guān)箱，受插損影響之后，到達(dá)被測(cè)物的功率就會(huì)變小，不再是10dB；二、開關(guān)隔離度會(huì)限制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍；三是為了達(dá)到同樣的動(dòng)態(tài)范圍，需要設(shè)置更小的IFBW（中頻帶寬），測(cè)試速度就會(huì)變慢。

加開關(guān)箱之后，系統(tǒng)溫度穩(wěn)定性和精度不高。首先看溫度穩(wěn)定性，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)說(shuō)，溫度穩(wěn)定性是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，什么是溫度穩(wěn)定性？簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)，就是這個(gè)時(shí)刻測(cè)的結(jié)果，和兩個(gè)小時(shí)之后測(cè)的結(jié)果不一樣，這就是穩(wěn)定性不好，即存在溫漂。LiMeng指出，網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部是由各種有源器件組成的，整套網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)在出場(chǎng)的時(shí)候，會(huì)給一個(gè)溫度穩(wěn)定性指標(biāo)，一般這個(gè)溫度穩(wěn)定性的溫漂非常小，而加開關(guān)箱之后，溫度穩(wěn)定性的溫漂就很明顯，即同一個(gè)被測(cè)物，現(xiàn)在測(cè)的結(jié)果和兩個(gè)小時(shí)之后測(cè)的結(jié)果相差非常大。再來(lái)看系統(tǒng)的精度，因?yàn)樵诰W(wǎng)分和被測(cè)物之間，接入了一段電路，即開關(guān)箱，系統(tǒng)原始性能（匹配、方向性）就會(huì)變差，從而導(dǎo)致精度變差。

雖然開關(guān)矩陣的這些誤差能夠通過(guò)校準(zhǔn)消除掉，但是過(guò)程極其復(fù)雜，分兩種情況，如果網(wǎng)分和開關(guān)矩陣由同一廠家提供，并支持多端口校準(zhǔn)，如Keysight PNA+多端口測(cè)試座，則校準(zhǔn)測(cè)量過(guò)程較為簡(jiǎn)單。而多數(shù)情況下，開關(guān)矩陣校準(zhǔn)測(cè)量復(fù)雜、耗時(shí)，需要編程控制，比如校準(zhǔn)時(shí)，需要切到兩個(gè)端口校準(zhǔn)，保存校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，再切到下面?zhèn)€端口校準(zhǔn)，保存校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，并且需要重復(fù)N（N-1)/2次，測(cè)量完成后，還需要切到兩個(gè)端口，調(diào)用校準(zhǔn)測(cè)量，再切到下兩個(gè)端口，調(diào)用校準(zhǔn)測(cè)量。

加開關(guān)箱之后，對(duì)整套系統(tǒng)測(cè)試速度有影響。上文提到，只用一個(gè)兩端口的網(wǎng)分，測(cè)一個(gè)14端口的器件，需要50分鐘，加開關(guān)箱之后，測(cè)量速度下降到12分鐘，雖然時(shí)長(zhǎng)大幅下降，但是節(jié)省下來(lái)的并不是系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的時(shí)間，而是手動(dòng)擰動(dòng)連接的時(shí)間。而處理數(shù)據(jù)的能力其實(shí)還是依賴于網(wǎng)分，比如兩端口的網(wǎng)分，加了一個(gè)多端口的開關(guān)箱，但實(shí)際上網(wǎng)分的接收通路還是網(wǎng)分的兩條通路。

網(wǎng)絡(luò)分析儀有一個(gè)影響測(cè)試速度的重要參數(shù)，叫儀表的掃描次數(shù)，Li Meng表示，只有通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀增加處理數(shù)據(jù)能力的接收機(jī)，才能提高處理數(shù)據(jù)的速度。比如要處理一個(gè)8端口的器件，2端口的網(wǎng)分+開關(guān)箱，需要56次掃描；4端口的網(wǎng)分+開關(guān)箱，需要24次掃描；真正意義8端口網(wǎng)分，需要8次掃描，也就是真正意義8端口網(wǎng)分，8次掃描就可以把所有的參數(shù)取下來(lái)。

可見，加開關(guān)箱之后，雖然硬件的通道數(shù)可以達(dá)到，而這對(duì)整套系統(tǒng)的測(cè)試精度、溫度穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)范圍、測(cè)速速度、校準(zhǔn)的復(fù)雜度等都會(huì)帶來(lái)不好的影響。

因此，對(duì)多端口的器件的測(cè)試來(lái)說(shuō)，只有具有真正意義的多端口接收機(jī)的網(wǎng)絡(luò)分析儀才能提供最好的系統(tǒng)性能。

是德科技多端口網(wǎng)絡(luò)分析儀

為了適應(yīng)5G時(shí)代，多端口器件的測(cè)試需求，是德科技于今年5月份推出了最新的網(wǎng)絡(luò)分析儀M980xA系列，就是一款真正意義的多端口網(wǎng)絡(luò)分析儀，網(wǎng)絡(luò)分析儀有四個(gè)非常重要的參數(shù)，動(dòng)態(tài)范圍、掃描時(shí)間、軌跡噪聲和溫度穩(wěn)定性，M980xA系列在這四個(gè)參數(shù)的表現(xiàn)上都非常出色。

圖：是德科技多端口網(wǎng)絡(luò)分析儀M980xA系列特性

相較于傳統(tǒng)測(cè)量方案，該系列多端口網(wǎng)絡(luò)分析儀可以幫助客戶解決多方面的問(wèn)：一、簡(jiǎn)化測(cè)試系統(tǒng)，加快對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的重新配置和校準(zhǔn)；二、減少測(cè)試系統(tǒng)中的部件數(shù)量，最大限度地減少維護(hù)和停機(jī)成本；三、簡(jiǎn)單、方便地自動(dòng)完成設(shè)置，加快測(cè)試速度，提高測(cè)試吞吐量；四、避免使用額外連接和外部開關(guān)時(shí)所帶來(lái)的損耗，提高測(cè)試精度；五、定制硬件，輕松適應(yīng)未來(lái)的測(cè)試要求。

并且，該款新型網(wǎng)絡(luò)分析儀包含多種測(cè)量應(yīng)用軟件，如自動(dòng)夾具移除、時(shí)域分析、基礎(chǔ)脈沖射頻測(cè)量、標(biāo)量混頻器/變頻器測(cè)量、增益壓縮測(cè)量、頻譜分析等。

圖：M980xA系列網(wǎng)絡(luò)分析儀應(yīng)用范圍

此外，該系列多端口網(wǎng)絡(luò)分析儀具有很高的自由度和靈活性，可以通過(guò)將多個(gè)測(cè)試接口進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)更多多口的器件測(cè)試，并且操作界面非常簡(jiǎn)單，只要點(diǎn)擊選擇需要使用的部分即可。

圖：新型多端口網(wǎng)絡(luò)分析儀操作界面

總結(jié)

相對(duì)于4G來(lái)說(shuō)，5G時(shí)代在很多方面都發(fā)生了變化，這些變化意味著相關(guān)技術(shù)要面臨一場(chǎng)全面的革新，比如測(cè)試技術(shù)，5G時(shí)代需要更高綜合度和靈活性的測(cè)試解決方案，用于應(yīng)對(duì)器件集成化等各方面帶來(lái)的測(cè)試挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)同時(shí)也成了測(cè)試企業(yè)贏得市場(chǎng)的重要機(jī)會(huì)。